[0001] 本申请涉及半导体技术领域，尤其涉及一种碲镉汞雪崩探测器器件结构及雪崩探测器。

[0002] 由于载流子的雪崩倍增可以对反射信号等弱信号进行放大的特点，雪崩光电探测器可以实现高速、微弱信号探测甚至单光子探测，一直以来被广泛应用于光纤通信、3D激光雷达、天文观测和大气探测等领域。早在20世纪70年代末即有基于碲镉汞材料的短波雪崩光电二极管探测器研究见诸报道，其在红外焦平面阵列器件上实现低通量和高速应用的潜力已经得到了充分的论证。由于在信号放大的同时能够较好地保持信噪比不变的优点，碲镉汞短波雪崩光电探测器已经被广泛用于高灵敏度、高增益和低噪声雪崩光电探测器的实际探测应用上，并且是中长波雪崩光电探测器焦平面阵列最具潜力的解决方案之一。

[0003] HgCdTe材料具有极高的光电转化效率、载流子输运特性好、响应范围随组分可调等优势，更为重要的是HgCdTe材料的电子空穴离化系数比非常大，是制备高性能电子注入型雪崩光电探测器的最理想材料之一。雪崩光电探测器的工作原理是:载流子在被电场扫过空间电荷区时,不断与半导体晶格发生碰撞。当反偏电压接近击穿电压时，碰撞传递的能量足以使一个半导体原子电离化,释放出一个价带电子，或者说引起一个电子从价带跃迁到导带,从而产生出一个电子‑空穴对，这种现象称为碰撞电离。随着碰撞电离连续不断地发生,出现类似于雪崩的载流子倍增，光生电流放大。HgCdTe雪崩光电探测器的制备得益于材料外延及掺杂技术的提高。目前，美国、法国等对HgCdTe雪崩光电探测器的研究从理论分析模型的建立到器件制备然后再到系统测试均取得了不错的研究进展，英国、波兰、印度等国家也开始了HgCdTe雪崩光电探测器的基础理论及相关实验的研究工作。国内对于HgCdTe雪崩光电探测器的雪崩电离机理、材料生长和器件制备工艺和应用都有待进一步加深和完善。

[0027] 下面将参照附图更详细地描述本公开的示例性实施例。虽然附图中显示了本公开的示例性实施例，然而应当理解，可以以各种形式实现本公开而不应被这里阐述的实施例所限制。相反，提供这些实施例是为了能够更透彻地理解本公开，并且能够将本公开的范围完整的传达给本领域的技术人员。

[0028] 传统雪崩光电探测器结构一般包括收集层、吸收层、倍增层等。目前，国内外对雪崩光电探测器的分析模型、电子雪崩微观过程、雪崩输运机理，雪崩电离理论框架等都有待进一步研究，但随着碲镉汞雪崩光电探测器广泛应用于通信等各领域，传统雪崩探测器在高灵敏度、低暗电流等方面的功能迫切需要改善。本申请实施例提供一种碲镉汞雪崩探测器器件结构，如图1所示，包括顺次生长的衬底层、第一收集层、吸收层、过渡层、漂移增强层、倍增层及第二收集层，其中，

[0029] 所述衬底层，为衬底或复合衬底；

[0030] 所述第一收集层，P型结构，生长在所述衬底或所述复合衬底上，掺杂Hg空位；

[0031] 所述吸收层，P型结构，生长在所述第一收集层上，掺杂Hg空位；

[0032] 所述过渡层，P型结构，生长在所述吸收层上，掺杂Hg空位，且所述过渡层的Cd组分采用高斯状态缓变形成势垒层；

[0033] 所述漂移增强层，生长在所述过渡层上，低掺p型HgCdTe，掺杂Hg空位，所述漂移增强层的Cd组分采用阶梯状缓变。在一些实施例中所述漂移增强层，厚度1μm‑5μm，掺杂Hg空14 3 17 3
位浓度1×10 /cm‑1×10 /cm。在一些实施例中所述漂移增强层的Cd组分采用阶梯状缓变，其阶梯梯度为0.01‑0.03。

[0034] 所述倍增层，i型结构，生长在所述漂移增强层上，低掺杂In；

[0035] 所述第二收集层，n型结构，高掺杂In，一些示例中第二收集层掺杂In的浓度高于所述倍增层掺杂In的浓度。

[0036] 本申请实施例优化后的器件结构包括衬底层、p型收集层、吸收层、过渡层、漂移增强层、i型倍增层及n型收集层等。为了进一步提高漂移增强效果，本申请设计了漂移增强层14 3 17 3
HgCdTe层(1μm‑5μm，掺杂Hg空位浓度1×10 /cm‑1×10 /cm)，Cd组分采用阶梯状缓变(阶梯梯度为0.01‑0.03)以保持能级缓慢过渡，有利于场强增加，并恰当的漂移层厚度增强漂移大小，提高器件雪崩效应。

[0037] 在一些实施例中，所述第一收集层，厚度1μm‑3μm，掺杂Hg空位浓度1×1016/cm3‑118 3
×10 /cm；

[0038] 所述吸收层，厚度7μm‑8μm，掺杂Hg空位浓度1×1015/cm3‑1×1017/cm3；

[0039] 所述过渡层，厚度0.1μm‑0.2μm，掺杂Hg空位浓度1×1015/cm3‑1×1017/cm3；

[0040] 所述漂移增强层，厚度1μm‑5μm，掺杂Hg空位浓度1×1014/cm3‑1×1017/cm3；

[0041] 所述倍增层，厚度0.5μm‑2μm，掺杂In浓度为1×1014/cm3～1×1016/cm3，一些应用15 3
示例中倍增层掺杂In的浓度可以是约为1×10 /cm。

[0042] 所述第二收集层，厚度2μm‑3μm，掺杂In浓度1×1017/cm3‑1×1018/cm3。

[0043] 在一些实施例中，所述过渡层的Cd组分采用高斯状态缓变形成势垒层，其中Cd组15 3 17 3
分值在0.2‑0.35之间，厚度0.1μm‑0.2μm，掺杂Hg空位浓度1×10 /cm‑1×10 /cm。在一些实施例中，所述势垒层峰值Cd组分比吸收层高0.1‑0.3。在具体应用中势垒层的高度略大于所述吸收层和漂移增强层。本申请实施例在吸收层和漂移增强层之间加入p型低掺HgCdTe过渡层，并且过渡层Cd组分采用高斯状态缓变，形成势垒，且保持势垒高度略大于吸收层和漂移增强层，以有效减小暗电流，保持能级缓慢过渡，均匀器件电场，但又尽可能不影响器件的高性能。

[0044] 传统雪崩光电探测器的工作原理是，入射光被吸收层吸收并激发电子‑空穴对，光生载流子朝着雪崩i区进行扩散和漂移，在雪崩区高强度电场作用下，加速运动并与晶格发生碰撞电离，产生雪崩倍增。所施加的偏压使光生电子‑空穴对在电场作用下加速运动获得足够能量，与晶格发生碰撞，使晶格中原子发生电离，产生更多的次级电子‑空穴对，次级电子‑空穴随即也加入到与晶格的碰撞离化过程，从而产生雪崩效应。本申请的方案在传统雪崩光电探测器结构中加入了漂移增强层，位置在吸收层和倍增层之间，目的在于进一步平衡空穴和电子到达收集区时间，增强场强，增强载流子漂移效果，提高器件高速性能，提高器件雪崩效应。

[0045] 本申请实施例还提出一种碲镉汞雪崩探测器器件结构的实施案例，参考图1的层级关系，本实施案例的碲镉汞雪崩光电探测器材料为多层结构的薄膜，本应用示例的碲镉汞雪崩探测器器件结构的制备过程如下：

[0046] 生长衬底或复合衬底为第一层材料。

[0047] 在衬底或复合衬底上生长p型收集层，厚度2μm左右，掺杂Hg空位浓度1×1016/cm3‑18 3
1×10 /cm；

[0048] 收集层上生长p型吸收层，厚度8μm左右，掺杂Hg空位浓度1×1016/cm3；

[0049] 吸收层上生长p型HgCdTe薄过渡层，厚度0.1μm‑0.2μm，掺杂Hg空位浓度1×1016/3
cm 左右，并且过渡层Cd组分采用高斯状态缓变，(Cd组分值在0.2‑0.35之间，厚度0.1μm‑
15 3 17 3
0.2μm，掺杂浓度1×10 /cm‑1×10 /cm)，形成势垒层，且保持势垒高度略大于吸收层和漂移增强层(势垒层峰值Cd组分比吸收层高0.1‑0.3)，以有效减小暗电流，保持能级缓慢过渡，均匀器件电场，但又尽可能不影响器件的高性能。

[0050] 过渡层上生长漂移增强层，低掺p型HgCdTe，厚度1‑5μm，掺杂Hg空位浓度1×1014/3 17 3
cm‑1×10 /cm ,Cd组分采用阶梯状缓变(阶梯梯度为0.02)以保持能级缓慢过渡，有利于场强增加，增强漂移效果，提高器件雪崩效应；

[0051] 漂移增强层上生长i型倍增层，厚度0.5μm‑2μm，掺杂In浓度1×1015/cm3左右；

[0052] 倍增层上生长n型收集层，厚度2μm‑3μm，掺杂In浓度1×1017/cm3‑1×1018/cm3。

[0053] 本申请实施例在碲镉汞雪崩光电探测器结构中加入漂移增强层，位置在吸收层和倍增层之间，能够进一步平衡空穴和电子到达收集区时间，增强场强，增强载流子漂移效果，提高器件高速性能，提高器件雪崩效应，使雪崩光电探测器雪崩效的性能得到了提升。

[0054] 本申请实施例漂移增强层的加入平衡了空穴和电子的渡越时间，同时使电子能获得更多能量以获得更高速度与晶格发生碰撞，而且漂移增强层的加入，使吸收层的厚度增加，有利于提高吸收层作用，促进器件响应度和量子效率提升，从而产生更高效率的雪崩效应。

[0055] 本申请实施例中漂移增强型采用的Cd组分阶梯状缓变(阶梯梯度为0.01‑0.03)结构，保持了能级缓慢过渡，有力增加场强，并恰当的漂移增强层厚度增强漂移效果，提高器件雪崩效应。同时在吸收层和漂移增强层之间加入p型低掺HgCdTe过渡层，并且过渡层Cd组分采用高斯状态缓变，形成势垒，且保持势垒高度略大于吸收层和漂移增强层，在尽可能保持器件高性能的同时有效减小暗电流，保持能级缓慢过渡，均匀器件电场。

[0056] 本申请实施例还提出一种碲镉汞雪崩探测器，包括如前述的碲镉汞雪崩探测器器件结构。

[0057] 需要说明的是，在本申各实施例中，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者装置不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者装置所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括该要素的过程、方法、物品或者装置中还存在另外的相同要素。

[0058] 上述本申请实施例序号仅仅为了描述，不代表实施例的优劣。

[0059] 上面结合附图对本申请的实施例进行了描述，但是本申请并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的，本领域的普通技术人员在本申请的启示下，在不脱离本申请宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可做出很多形式，这些均属于本申请的保护之内。